2013年ノーベル化学賞は多階層シミュレーション（QM/MM計算）の３人に

さきほど2013年ノーベル化学賞が発表され、 Martin Karplus, Michael Levitt, Arieh Warshel の３人が「for the development of multiscale models for complex chemical systems (複雑な化学系のマルチスケールモデルの開発に対して)」の仕事で受賞しました。

受賞した３人とも分子動力学シミュレーションで世界的に使われているプログラムパッケージ「CHARMM」の開発に携わっています。（私はCHARMMは使ったことが無く、あまり詳しくはないのですが）

ちなみにCHARMMと双璧をなすもう一つの有名なプログラムパッケージ「AMBER」の開発者である Peter Kollman は既に亡くなられており、もしご存命でしたら今回受賞されていたかもしれません。

マルチスケール（多階層）モデルのシミュレーションとは

今回の受賞では「multiscale models（多階層モデル）」という言葉が入っています。

これは「計算量は小さいが化学結合の切断を表現できないニュートン方程式に従う古典的計算」と「計算量が大きいがきちんと電子の状態を解くシュレディンガー方程式をベースとする量子的計算」を組み合わせる手法となっています。

（古典的な計算（MD計算）の動画はいくつか作成してアップロードしていますので、興味のある人はこちらを見てください）

原子の数が増えると量子的計算では爆発的に計算量が増えますが、古典的計算では計算量の増え方は穏やかです。
そこでこの両者の手法を組み合わせたわけです。

この組み合わせ計算はよくQM/MM（Qmantum Mechanically 量子力学的/Molecular Mechanically 分子力学的、古典的計算のこと）と呼ばれ、最近では非常によく使われる手法となっています。

これは以前書いた記事（諸熊奎治先生文化功労者に選ばれる）で出てきたONIOM法もQM/MMに近い思想の計算方法です。
諸熊先生の貢献もノーベル賞サイトのプレスリリース資料に記述されており、同じ分野の受賞は喜ばしいとコメントを出されています。
ノーベル化学賞逃し…諸熊教授「同じ分野の受賞、喜ばしい」

例えばタンパク質の性質を計算したい場合、古典的計算は計算量が少ないのでタンパク質まるごとの数万〜数十万原子の計算を行うことは十分に可能です。

その代わり古典的計算では計算できることは限られており、化学結合の切断、生成といった反応を取り扱うことはできませんし、電子状態を計算して電子分布の偏りをチェックしたり、福井先生のノーベル賞で有名なHOMO/LUMOといった電子軌道の解析も不可能です。

かといって電子状態をまともに計算する量子的計算は計算量が極めて大きく、現実的に計算できるのは数百原子程度が限界で、タンパク質まるごとの量子的計算をすることは現在のコンピュータ資源ではたとえスパコン「京」を使ったとしても難しいのが現状です。
（2013/10/10 01:08 追記フラグメント分子軌道法等の大きな系の量子的計算を実現するアルゴリズムを使えばタンパク質まるごとの量子的計算も可能になりつつありますが、それでも分子動力学計算のように量子的計算を何度も繰り返す用途に使うには計算時間がかかりすぎるのが現状です。）

例えば下の図は2008年のノーベル化学賞であったGFPタンパク質ですが、このタンパク質の「色」を調べるためには量子的な計算をして電子状態を知る必要があります。